Name: Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 40 s
Description: Erfahren Sie die Phosphor-31-Magnetresonanzspektroskopie zur nichtinvasiven Messung der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierungskapazität im menschlichen Skelettmuskel. Diese standardisierte Methode ermöglicht serielle Untersuchungen.

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Diese Arbeit wurde teilweise durch einen Davis Heart and Lung Research Institute Trifit Award sowie durch das Intramural Research Program des NIH National Institute on Aging unterstützt.

Dieses Protokoll wird genehmigt durch und folgt den Richtlinien der Ohio State University Institutional Review Board für den Menschen Forschung. Es ist sehr wichtig , dass alle Verfahren beteiligt MR Ausrüstung durch ausreichend geschultes Personal zu den höchsten Standards der MR - Sicherheit 59 Einhaltung durchgeführt werden. 1. Material und Vorbereitung <ol><li> Stellen Sie sicher , dass alle notwendigen Materialien vor dem Experiment zur Verfügung stehen (Abbildung 2). </li><li> Stecken Sie das 31 P Spule in die in-Tabelle Spulenverbinder am Ende des Untersuchungstisch am nächsten an der Bohrung. Legen Sie ein großes Dreieck Schaumpolster in der Nähe der Spitze der MR - Untersuchungstisch, aber nicht direkt an der 31 P Spule. Legen Sie ein Kopfkissen am anderen Ende des MR-Untersuchungstisch, der am weitesten von der Bohrung, für Thema Komfort. </li></ol> 2. Gegenstand Positionierung (Abbildung 3a) <ol><li> Weisen Sie den Gegenstand zu liegen dem Rücken, Füßezuerst auf dem MR-Tabelle. Legen Sie ein Schaumstoffkissen unter dem Knie das Bein in einer teilweise gebogenen Position zu unterstützen. </li><li> Positionieren Sie das Motiv nahe an der rechten Seite des Tisches (des Subjekts rechts), um den linken Oberschenkel so nah an den Magneten Isozentrum wie möglich zu zentrieren, damit eine optimale B0 Homogenität in den Oberschenkelmuskel unter Prüfung zu gewährleisten. Geben Sie das Thema mit Ohrstöpsel und / oder Kopfhörer. </li><li> Positionieren Sie die 31 P - HF - Spule auf der linken Quadrizeps etwa in der Mitte zwischen der Patella und der Hüftkopf und sichern die Beingurte verwenden. Legen Sie die Spule über den seitlichen Teil des Beines, über den vastus lateralis. </li><li> Sichern Sie das Baby-Öl auf der medialen Seite des Oberschenkels mit den gleichen Riemen verwendet, um die Spule, um das Bein zu sichern. Dies erleichtert die Scan-Lokalisierung. </li><li> Binden Sie das Thema der Beine zusammen mit einem Band unter der Spule platziert und oberhalb des Knies. Sichern Sie sich die Beine des Patienten mit dem MR-Tisch mit zusätzlichen straps, eine über das Knie und einen auf halbem Weg zwischen dem Knie und Knöchel. </li><li> Verwenden Sie den Laserlichtleiter in der Mitte der Spule zu umreißen und die Tabelle zum Magneten Isozentrum mit dieser Zentrierung Wahrzeichen bewegen. </li></ol> 3. Übung Protokoll <ol><li> Erklären Sie das Thema, das die Ausübung Protokoll besteht aus drei Phasen: einer anfänglichen Basisphase; eine kurze, intensive Übungsphase; und eine Erholungsphase. </li><li> Weisen Sie das Thema zu liegen still und entspannen ihre Beinmuskeln während der Baseline-und Erholungsphasen der Spektroskopie Akquisition, um Bewegungsartefakte zu minimieren. </li><li> Geben Sie einen Countdown zum Thema den Beginn der Übung angibt. An diesem Punkt haben das Thema Knie Extension / Flexion so kräftig und so schnell wie möglich gegen den Widerstand der Bänder initiieren. HINWEIS: Die Quadrizeps-Muskeln werden verwendet, um den linken Unterschenkel nach oben und unten zu bewegen, bis angewiesen zu stoppen. </li><li> Beenden der Übung nach einer 30% igen Rückgangin den pCR Peakhöhe. <ol><li> Beachten Sie die PCr Spitzenhöhe in dem Erwerb Viewer-Fenster, und es auch nach Abschluss der Übungsabfolge anzuzeigen. ANMERKUNG: Eine allgemeine Richtlinie ist, dass eine ca. 30% igen Abfall in PCr Peakhöhe auf einen Pi Peak entspricht, die 50% der Höhe des PCr Spitze ist. Wenn PCr Erschöpfung auftritt, wird nicht schnell genug, um einen 30% igen Rückgang während der Übungsphase der Prüfung zu erreichen, fördern das Thema stärker oder schneller zu treten während des Trainings. HINWEIS: Beendigung der Übung bestimmt wird durch die Spitzenhöhe und Dauer der Übung PCr Überwachung. Dies kann in leicht unterschiedlicher Dauer der Übung bei verschiedenen Patienten zur Folge haben und kann in der Analyse berücksichtigt werden. </li></ol></li></ol> 4. Scan-Protokoll <ol><li> Erwerben Sie eine Localizer tri-Ebene richtige Thema Positionierung zu überprüfen und die Lage der 31 P Spule identifizieren. HINWEIS: Die Localizer-Sequenz beginnt automatisch und zentriert an der indicated Position der Laserlichtführung mit (Schritt 2.9) </li><li> Erwerben Sie eine zweite Tri-Ebene Localizer. <ol><li> Öffnen Sie die Scheibe Blick auf die erste Tri-Ebene Localizer Bilder. Hinweis: Dieser Vorgang kann für verschiedene Software- und Hardwaresysteme unterschiedlich sein. </li><li> Center und drehen Sie die Schichtorientierung durch Linksklick und Halten auf der Slice-Gruppe. Drehen Sie den Slice-Gruppe. Stellen Sie sicher, dass die endgültige Ausrichtung der Scheiben mit der Position des Babyöl entspricht. </li><li> In der Ablaufroutine Fenster, erhöhen die Anzahl der Scheiben das gesamte Bein in axialer und sagittaler Bilder (Abbildung 3b) zu decken. </li></ol></li><li> 31 P - Spektroskopie - Sequenz: <ol><li> Verwenden Sie die folgenden nicht lokalisierten Puls-acquire Sequenzparameter: TR: 1000 ms; TE: 0,34 ms; spektrale Breite: 2000 Hz; Flip-Winkel: 90 Grad; erfassten Datenpunkte: 1.024; 4 Mittelwerte in einer zeitlichen Auflösung von 1 Spektrum alle 6 Sekunden ergibt. </li></ol></li><li> 31 P Shim box Platzierung: <ol><li> Mit Hilfe einer Maus, ziehen Sie die zweite Dreideckers Localizer Bilder in das Sichtfenster am oberen Rand des Bildschirms. Ziehen Sie die Spektroskopie-Sequenz in das Protokollfenster und doppelklicken Sie auf zu öffnen. </li><li> Verwenden Sie die Position Werkzeugleiste, um das Shim Voxel visualisieren (wählen Sie das schwarze Rechteck mit horizontalen Linien). ein grünes Feld auf den Localizer-Bildern Nach der Auswahl dieser Option beobachten. ANMERKUNG: Dies ist die shim Voxel. </li><li> Bewegen Sie den Voxel mit einem Linksklick und das Voxel in der Mitte zu halten. Ändern Sie die Größe und drehen Sie die Ausrichtung des Voxel durch Linksklick und Halten des Voxel an der Ecke der Box. Legen Sie die Shim-Box, um B0 Feldhomogenität direkt unterhalb der Spule und parallel zur Ebene des Quadrizeps zu gewährleisten. Hinweis: Dies ist die richtige Shimming im sensitiven Bereich unter der Spule zu gewährleisten, die das Volumen des Gewebes direkt unter der Mitte der Spule. </li><li> Verwenden Sie die Tri-Ebene Localizer Bilder, die sensitiv zu identifizierene Bereich der Spule und stellen Sie die Shim Kästchen, um diese Region innerhalb des Quadrizeps zu umfassen. HINWEIS: Die Shim - Box kann größer sein als die wahre Reichweite der Oberflächenspule , um B0 Homogenität innerhalb des Datenerfassungs Voxel (Abbildung 3c) zu gewährleisten. </li><li> 31 P Testerfassung: <ol><li> Öffnen Sie den Erwerb Viewer-Fenster und wählen Sie den Kopf-Symbol in der Akquisition Werkzeugleiste. Dies wird zum Betrachten der Spektroskopie Erfassung in Echtzeit ermöglichen. </li><li> Nach dem Einsetzen des Keils Voxel 31P, führen Sie die Sequenz, die ein einzelnes Spektrum zu erhalten, indem die Schaltfläche "Ausführen" an der Spitze des Protokollfensters klicken. </li><li> Prüfen Sie die Qualität von B0 Shim. Beobachten Sie das resultierende Spektrum in dem Erfassungsfenster. Beachten Sie einen prominenten PCr Peak bei 0 ppm zentriert und keine wesentlichen Rauschen (4a, links). HINWEIS: Fehlerbehebung: Wenn das Spektrum laut erscheint, stellen Sie sicher, dass die Shim-Box im Muskel platziert wird. Anzeigenur die Größe und die Position des shim Feld, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Wiederholen Sie den Test Erwerb nach Bedarf. </li><li> Um die PCr Peakhöhe, öffnen Sie das Spektrum in der Spektroskopie-Werkzeug ( "Anwendungen" → "Spectroscopy") zu sehen. Öffnen Sie den Patientenordner (Ordner-Struktur-Symbol), wählen Sie die entsprechende Scan, und doppelklicken Sie auf das Spektrum zu laden. </li></ol></li></ol></li><li> Pre-Übung T1 Bild: <ol><li> Besorgen Sie sich eine Einzelschicht axiale T1-gewichteten Bild in der Mitte einer Spule. </li></ol></li><li> 31 P Vorübung Erwerb: <ol><li> Kopieren Sie die Sequenz aus Schritt 4.4 (, die die beste spektrale Qualität produziert) durch Linksklick und Ziehen mit der Sequenz im Protokollfenster. Verwenden Sie diese Sequenz für alle folgenden Messungen. </li><li> In der Ablaufroutine Fenster, erhöhen Sie die Anzahl der Messungen von 1 bis 10. Wählen Sie laufen 10 Messungen zu erwerben, während das Thema in Ruhe ist. </li></ol></li><li> 31 &lt;/ Sup&gt; P Übung Erwerb: HINWEIS: Stellen Sie aufmerksam die Start- und End-Trainingszeiten, da dies für die Analyse wichtig sein wird. <ol><li> Rest: Übernehmen Sie die Shim-Einstellungen aus dem vorherigen Scan und stellen Sie die Sequenz 20 Messungen zu erwerben. Weisen Sie den Gegenstand nach einem Countdown beginnen zu treten. Weisen Sie den Gegenstand in Ruhe für zwei Messungen zu bleiben. </li><li> Übung: Stellen Sie das Thema Übung, um die Kniestreckung für ~ 30 Sekunden auszuführen (oder die Zeit benötigt, um eine 30% ige Abnahme der PCr Spitzenamplitude zu erreichen). Nachdem das Thema ausreichend PCr Erschöpfung erreicht, fragen Sie sie, um auszuruhen. </li></ol></li><li> 31 P post-exercise Akquisitionen: <ol><li> Erwerben Sie weitere 20 Messungen in Ruhe. Stellen Sie sicher , dass die post-exercise Akquisitionen beginnen unmittelbar nach der Übungsabfolge, ohne Pause oder Shim (4a, rechts). HINWEIS: Die Unterteilung dieser Erholungsphase in zwei separate Akquisitionen ermöglicht die Analyse des initial 20 dynamische Spektren während der Erfassung der zweiten 20 dynamischen Spektren, so dass der Anwender Erwerb des vollen Erholungsphase zu vermeiden, wenn die Übung wiederholt werden muss. </li></ol></li><li> Die Sicherstellung Übung Qualität: <ol><li> Vergleichen die PCr Peakhöhen am Anfang und am Ende der Bewegung. Hochwertige Trainingseinheiten führen zu einer ~ 30% ige Abnahme der PCr Konzentration. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die Spitzenhöhe PCr die gleichen zu Beginn der Rest ist und am Ende der Wiederherstellung (in der Regel &lt;10% Unterschied gewünscht wird). Dadurch wird sichergestellt, dass es vernachlässigbaren Verlust von Feldhomogenität während der Akquisition war. HINWEIS: Wenn der PCr Abbau nicht ausreichend ist, oder wenn es einen Verlust von Feldhomogenität gefallen hat, dann wiederholen Sie die Übung / Recovery-Teil der Prüfung (darauf achten, Ermüdung zu vermeiden), stellen Sie sicher, dass die Spule und Riemen sicher befestigt sind, und erweitern die Dauer der Übung und / oder Förderung der kräftigere Übung (Abbildung 4b). NICHTE: Ein Vergleich der erhaltenen Bilder in den Schritten 6 und 11 ermöglicht eine zusätzliche Qualitätskontrollschritt jede Verschiebung des Oberschenkels und der Spule aufgrund der Bewegung zu visualisieren, wodurch sichergestellt wird, dass minimale Bewegung während des Protokolls aufgetreten, die signifikant die erfassten Daten beeinflussen könnten . </li></ol></li><li> Im Anschluss an post-exercise T1 Bildgebung, wiederholen Sie die Vorübung axialen T1-Bildgebung (Schritt 4.5) mit den gleichen Erfassungsparameter. <ol><li> Neben ausreichende Abreicherung von PCr, messen die Bewegung pH Ende um sicherzustellen, dass die Übung nicht Azidose des Muskels induzierte. </li><li> Führen Sie dies durch die chemische Verschiebung zwischen Pi Messung und PCr (&amp; delta; P i) und unter Verwendung der folgenden Gleichung 60: pH = 6,77 + log [(&amp; delta; P i -3,29) / (5,68-&amp; delta; P i)] HINWEIS: Der pH - Wert sollte bleiben mehr als 6,8 61. Wenn der PCr Abbau ausreichend ist, aber der pH-Wert zu niedrig ist, wiederholen Sie die Übung Kampf für eine kurzeer die Dauer und / oder mit einer verringerten Intensität. </li></ol></li><li> Speichern von Daten: <ol><li> Speichern Sie alle aufgenommenen Spektren als DICOM-Dateien und exportieren, um sie für die Verarbeitung mit JMRUI. </li><li> Wenn Sie einen Scanner verwenden, wählen Sie alle Spektroskopie Akquisitionen im Fenster "Navigator". </li><li> Unter "Anwendungen" die Option "Dicom Tools" → "Export MR-Spektroskopie", und die DICOM (* .dcm) Dateien zu C speichern: / Benutzer / MedCom / temp / CDROFFLINE (Das Werkzeug wählt automatisch diese Position). </li><li> Unter "Transfer" die Option "Export in den Offline." Sparen Sie an die gewünschte Stelle. </li></ol></li></ol> 5. Datenverarbeitung und -analyse 62 <ol><li> Analysieren Sie den MR-Spektren mit frei verfügbaren JMRUI-Software (Version 5.2; http://www.jmrui.eu/). </li><li> Apodize und der Phasenverschiebung der Spektren Gleichförmigkeit über alle erfassten Zeitpunkte (5) zu gewährleisten. Die PCR-Spitze zentriert wird eint 0 ppm in den Spektren. </li><li> Verwenden Sie die integrierte in AMARES Algorithmus, um die Amplitude des PCr Maximum in jedem erworbenen Spektrum zu quantifizieren. Die Spitzenamplitude repräsentiert die Konzentration von PCr innerhalb des sensitiven Bereichs der Oberflächenspule zu diesem bestimmten Zeitpunkt. </li><li> In der Rechensoftware, zeichnen Sie die PCr Konzentrationen als Funktion der Erfassungszeit. Mit Hilfe der eingebauten in Rechensoftware Kurvenanpassung Werkzeug, passen 52 die PCR - Erholungszeit Daten an die folgende Gleichung, 63: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq1.jpg"></li><li> Notieren Sie sich die Werte der Basislinie PCr ( <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq2.jpg"> ), Die niedrigste PCr ( <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq3.jpg"> ) Und die Wiederherstellungszeit ( <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq4.jpg"> . </li><li> Stellen Sie sicher, dass die entsprechenden Bedingungen während der exer erfüllt sindzise Sitzung durch den pCR Verarmungs Berechnung der prozentualen Differenz zwischen dem Basislinien PCr und dem niedrigsten PCr. Ideal Trainingseinheiten führen zu einer 20-50% Erschöpfung. HINWEIS: Die Qualität der Kurvenanpassung kann durch die Überprüfung sichergestellt werden , dass der R 2 -Wert größer als 0,75. R 2 -Werte werden automatisch von der Anpass - Software berechnet. </li></ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Dieses Dokument beschreibt ein Standardprotokoll für 31 PMRS Prüfung , die serielle und nicht - invasive in vivo - Messung der Skelettmuskulatur Mitochondrienfunktion bietet. Das Protokoll hält große Attraktivität, wenn die Bandbreite der Untersuchungen gezielt die wachsende Belastung des metabolischen Syndroms und der daraus resultierenden Morbidität und Mortalität berücksichtigen. Dieses 31 PMRS Protokoll erfordert eine minimale Menge an Scanner Zeit und kann mit handelsüblichen MRS Einr...

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein reproduzierbares Verfahren zu umreißen nichtinvasiv in vivo die Funktion der Mitochondrien Skelettmuskel bei Patienten besitzen ein breites Spektrum an Fähigkeiten zu messen. Aberrant mitochondrialer Beeinträchtigung ist ein Markenzeichen von einer Vielzahl von metabolischen Syndromen und genetischen Erkrankungen, von gemeinsamen Bedingungen wie Alterung und Diabetes zu seltenen Erkrankungen wie Friedreich-Ataxie. Metabolisches Syndrom und mitochondriale Dysfunktion Das metabolische Syndrom ist die Funktion der Mitochondrien gezeigt zu stören, Skelettmuskel OXPHOS drücken, und in der Skelettmuskulatur 1, 2 ektoper Lipideinlagerung führen. Als kritische Organellen metabolischen Homöostase und Energieregelungs, Mitochondrien sind in der Pathophysiologie von Fettleibigkeit 3, 4, Insulin Resistenz eine Rolle 5 </sup&gt;, Typ - 2 - Diabetes mellitus (T2DM) 6, 7, im Zusammenhang mit Diabetes Mikro- 8, 9, 10, 11 und makrovaskulärer Komplikationen 12, 13, und nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) 14, 15, 16, unter anderem O 2 Oxidoreduktaseaktivität 5: .Insulin Widerstand wird durch tiefgreifende Veränderungen in der Skelettmuskulatur mitochondriale Aktivität, einschließlich verminderte mitochondriale Tricarbonsäure (TCA) Flussrate, ATP - Syntheserate und Citrat - Synthase und NADH charakterisiert. Eine Hypothese ist, dass diese Veränderungen auf die Ansammlung von freien Fettsäuren (FFA) Stoffwechselprodukte in den Muskel zurückzuführen sein könnte, die während der Adipositas und anderen Adipositas-r deutlich erweitert werdenbeschwingt Krankheiten 2, 17. Die Exposition von Muskel erhöht FFAs und Lipid - Zwischenprodukte kann die Expression von Genen in der Lipid oxidative Stoffwechselweg verringern sowie den TCA - Zyklus und Elektronentransportkette (ETC) 18. Diese Verringerung der mitochondrialen Skelettmuskel OXPHOS Kapazität in der Einstellung einer Lipid Überlastung wird durch einen Rückgang bei der quantitativen (Gehalt und Biogenese der Mitochondrien) 19 und qualitative Funktion der Skelettmuskulatur Mitochondrien 20 begleitet. Aussetzen der Skelettmuskulatur und Myozyten zu FFAs führt zu schweren Insulinresistenz und erhöhte FFA - Aufnahme im Muskel ist mit einer Insulinresistenz assoziiert sowohl bei Menschen und Nagetieren 21. Die Lipidzwischenprodukte Ceramid und Diacylglycerol (DAG) wurden durch Veränderung der Aktivität von Kinasen, wie beispielsweise Proteinkinase C und prot gezeigt, direkt auf die Insulin-Signalweg hemmenein Kinase B 21. Daher Lipid-abgeleitete Moleküle scheinen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Skelettmuskulatur Insulinresistenz und T2DM zu spielen. Es bleibt jedoch unklar , ob Änderungen in der mitochondrialen Kapazität eine Ursache oder eine Folge der Insulin - Resistenz 22 sind. Friedrich Ataxie und mitochondriale Dysfunktion Verminderte OXPHOS kann auch von genetischen Defekten entstehen. Friedrich Ataxie (FA), die häufigste Form der erblichen Ataxie, ist eine genetische durch eine Mutation verursachte Störung im Frataxin (FXN) Gen, was zu intra mitochondrialen Eisenakkumulation, Produktion reaktiver Sauerstoffspezies und Anomalien der oxidativen Phosphorylierung 23, 24, 25, 26. Diese wichtige Entdeckung hat zur Entwicklung von gezielten Therapien geführt, which Ziel Funktion der Mitochondrien auf subzellulärer Ebene zu verbessern. Trotz dieses Verständnis hat es begrenzte Entwicklung von in - vivo, reproduzierbare Biomarker für die FA klinischen Forschung. In der Tat ist ein kritisches Hindernis bei der effektiven Auswertung der Targeted Therapies in FA die Unfähigkeit, Veränderungen in der mitochondrialen Funktion zu verfolgen. Strom funktionelle Maßnahmen können beispielsweise die Herzleistung verringert identifizieren; jedoch sind sie unfähig , den Pegel des Bestimmens , bei der die Fehlfunktion auftritt (Bild 1). Die Entwicklung eines zuverlässigen Marker für die Funktion der Mitochondrien, die verwendet werden können, zu erkennen und den Krankheitsverlauf in Friedrich Ataxie bewerten, ist entscheidend, um die relevanten mechanistischen Auswirkungen der gezielten Therapien zu messen. Beeinträchtigte OXPHOS und kardiale Dysfunktion Aberrant mitochondrialen Funktion, entweder oder genetische erworben, konnte mit der Entwicklung oder Progression von cardi beitragenac Dysfunktion. Unter den Bedingungen des Drucküberlastung und Herzinsuffizienz, Glucose die primären Energiesubstrat Vorzugsschalter von FFA auf. Dies wird mit einer verminderten Aktivität und ETC oxidative Phosphorylierung 27. Die Pathophysiologie der mitochondrialen bioenergetischen in kardialen Dysfunktion kann in Abhängigkeit von dem primären Ursprung des mitochondrialen Defekt verschieden sein. Diabetes und metabolischem Syndrom führt zu mitochondrialen Anomalien im Myokard, wie beeinträchtigte Biogenese und Fettsäuremetabolismus, die zu einer verminderten Substratflexibilität, Energieeffizienz führen, und schließlich, diastolische Dysfunktion 28, 29. In FA, auf der anderen Seite, ein Frataxin - Mangel führt zu einer signifikanten Häufung mitochondrialer Eisen in Kardiomyozyten 30, 31. Eisenakkumulation führt zur Produktion von freien Radikalen über die Fenton - Reaktion 32 &lt;/ Sup&gt; und erhöht die Chance des freien Kardiomyozyten Schaden Radikale induzierte. Intra-mitochondrialen Eisenspeicherung ist auch mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber oxidativem Stress und einer verringerten oxidativen Kapazität 30, 31 verbunden. Eisen - Akkumulation und anschließenden anomale Funktion der Mitochondrien durch den Frataxin - Mangel kann daher für die beeinträchtigten kardialen Energetik und Kardiomyopathie bei FA 34 33, beobachtet verantwortlich. Es ist auch interessant zu bemerken , dass die reduzierte oxidative Kapazität in der Skelettmuskulatur Mitochondrien die Belastungsintoleranz Parallelen und metabolische Kapazität bei Herzinsuffizienz (HF) 35 reduziert. Die Messung der Skelettmuskulatur OXPHOS Kapazität, wie hier detailliert, ist leicht implementierbar und robust; mit der Bedeutung der Skelettmuskel OXPHOS in HF gekoppelt sind, machen diese Features es eine ansprechende Biomarker in umfassenden Studien von hörent Krankheit 36. Beeinträchtigte OXPHOS und die begleitende kardiale Dysfunktion ist keine belanglose Aspekt der metabolischen und mitochondrialen Erkrankungen. Patienten mit Diabetes und Stoffwechselerkrankungen sind ein höheres Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen zu entwickeln und erhöhte Mortalität nach Myokardinfarkt (MI) 37, 38, 39, 40, 41; mehr als die Hälfte der FA Themen haben Kardiomyopathie, und viele sterben an Herzrhythmusstörungen oder Herzversagen 42. Daher Quantifizierung reduziert OXPHOS könnte nicht nur für die Früherkennung und Behandlung von Herzfunktionsstörungen ermöglichen, aber es könnte auch eine wichtige klinische Belastung in diesen Krankheiten lindern. Gezielte Therapien direkt OXPHOS Kapazität erhöhen, ist ein viel versprechendes Gebiet der Behandlung von Patienten zu verbessern, whether die Ursache der metabolischen Dysfunktion ist genetisch bedingt oder erworben werden. Derzeit 44 die Entwicklung neuartiger Medikamente gezielt die entweder abnormale Funktion der Mitochondrien 43 oder korrigieren Sie den primären genetischen Defekt lindern können die verwirrte Bioenergetik charakteristisch für FA verbessern. Im Falle der erworbenen mitochondriale Dysfunktion kann eine erhöhte körperliche Aktivität der mitochondrialen Funktion 45, 46, 47 zu verbessern. 31 Phosphor- Magnetische Resonanzspektroskopie als Nicht-invasive Biomarker der mitochondrialen Funktion Unabhängig von der getesteten Therapie eine integrierte In - vivo - Beurteilung der Skelettmuskulatur Bioenergetik ist ein wichtiges Instrument , die Auswirkungen der gezielten Interventionen, vor allem bei Patienten mit schwerer Belastungsintoleranz oder der Unfähigkeit zu unterziehen konventionellen metabo zu beurteilenlic Tests. Magnetische Resonanzspektroskopie auf Phosphor abgestimmt (31 PMRS), einem endogenen Kern in verschiedenen Hochenergiesubstrate innerhalb der Zellen im ganzen Körper, verwendet wurde , mitochondriale oxidative Kapazität unter Verwendung einer Vielzahl von Ansätzen zu quantifizieren, einschließlich in-Magnet exercise-Recovery - Protokolle und Muskelstimulationsprotokolle 48. Die Übungs-Recovery-Protokolle beruhen auf einer Vielzahl von Geräten in die Komplexität im Bereich von MRI-kompatiblen Ergometer, die zu regulieren und zu messen Arbeitsbelastung zu einfachen Konfigurationen von Schlaufen und Pads so dass für Burst-Typ resistive und quasistatische Bewegung. Eines der primären Ziele von jedem dieser Protokolle ist ein Energieungleichgewicht für die der Bedarf an Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen , wird zunächst durch den enzymatischen Abbau von Phosphokreatin (PCr) durch die Kreatinkinasereaktion 49 erfüllt. Nach Beendigung der Übung, wird die Geschwindigkeit der ATP-Produktion durch oxidative pho dominiertsphorylation und stellt die maximale in vivo Kapazität der Mitochondrien 50. Darüber hinaus OXPHOS während Regeneration nach dem Sport kann 51 durch eine erste Ordnung Geschwindigkeitsreaktion beschrieben. Die Regeneration nach dem Sport von PCr kann daher durch den Einbau von einer exponentiellen Zeitkonstante (τ PCR), mit kleineren Werten von τ PCr repräsentieren größere Kapazitäten für die oxidative ATP - Synthese quantifiziert werden. Erhebliche Anstrengungen wurden gegen ex vivo und mehr direkte Maßnahmen von OXPHOS zu validieren 31 PMRS gemacht und zeigen die potenzielle klinische Anwendbarkeit dieser Technik 52, 53, 54, 55. Bemerkenswert ist, kann das Protokoll in dieser Arbeit beschrieben auf klinisch verfügbaren Scanner implementiert werden und es als eine nicht-invasive Biomarker o weit validiert wurdef mitochondrialen Funktion 56. Jedoch mit unterschiedlichen Schweregraden der neuromuskulären Beeinträchtigung oder Mobilität eine Übung 31 PMRS Protokoll für Einzelpersonen für die Anwendung optimiert ist nicht gut wurde 57 gegründet. Ein gut definiert, breit anwendbare Übung Protokoll und 31 PMRS Technik würde bei der Beurteilung von Krankheiten , die mit grundlegenden Anomalien in der mitochondrialen Funktion besonders nützlich sein. Verschiedene frühere Studien haben die Anwendungen der nicht-invasiven Techniken erforscht die Funktion der Mitochondrien in den Fächern zu quantifizieren. Zum Beispiel haben diese Techniken mit Typ - 2 - Diabetes 36 beeinträchtigt OXPHOS bei Patienten gezeigt. Lodi et al. zuerst getestet, um die Durchführbarkeit der PMRS Techniken in Probanden mit FA und festgestellt, dass 1) die Grund genetischen Defekt in FA OXPHOS Skelettmuskel beeinträchtigt, und 2) die Anzahl der GAA Triplett wiederholt ist umgekehrt proportional zu der Skelettmuskulatur OXPhos 33. In jüngerer Zeit Nachbauer et al. gebrauchte PMRS als sekundärer Endpunkt in einem FA Arzneimittelstudie mit 7 Fächern. PCr Erholungszeiten waren signifikant länger bei Patienten im Vergleich zu Kontrollen, bekräftigend früheren Arbeiten Lodi und darauf hinweist , dass die Auswirkungen von anomalen Frataxin - Expression in FA in einem Rückgang der mitochondrialen Kapazität zur Folge haben kann , die nachweisbar mit Hilfe von Techniken PMRS 58 ist. Zuverlässige Methoden angemessen in vivo - Funktion der Skelettmuskulatur in einem brauchbares, kostengünstiger zu definieren, und reproduzierbar sind kritisch Gegenstand Ergebnisse in einer Reihe von Krankheiten zu verbessern , die mitochondriale Funktion beeinflussen. Diese Arbeit beschreibt ein robustes Verfahren für die in - vivo - maximale oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur zu erhalten 31 PMRS verwenden. Die in-Magnet Übung Protokoll wird auch von Einzelpersonen toleriert eine breite Palette von physikalischen Spanning und functional Fähigkeiten und bietet eine vereinfachte Thema Einrichtung mit preiswerten und gut verfügbaren Geräte.

<table><tbody><tr><td>1,5 T MR-Scanner</td><td>Siemens-Hersteller</td><td></td><td>hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse</td></tr><tr><td>10 cm 31P Sende-Empfangsspule, 1,5 T kompatibler</td><td>PulseTeq-Hersteller</td><td></td><td>hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse</td></tr><tr><td>3 fl oz Baby Oil</td><td>Johnson & Der Hersteller von Johnson</td><td></td><td>hat keinen Einfluss auf</td></tr><tr><td>die Ergebnisse Dreieckskissen aus Schaumstoff (Knie)</td><td>Der Siemens-Hersteller</td><td></td><td>hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse</td></tr><tr><td>(3) Kunststoff-Schnallen-Widerstandsbänder; Tabelle zu Tabelle Der</td><td>Siemens-Hersteller</td><td></td><td>hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse</td></tr><tr><td>(1) Kunststoff-Schnallen-Widerstandsarmband; selbstverbindend</td><td>Siemens</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

phosphor-31 magnet-resonanz-spektroskopie: ein werkzeug zur messung in vivo mitochondrial oxidative phosphorylierung kapazität im menschlichen skelettmuskel

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Die mitochondriale oxidative Phosphorylierungskapazität (OXPHOS) der Skelettmuskulatur, die für Gesundheit und Krankheit von entscheidender Bedeutung ist, kann in vivo und nicht-invasiv am Menschen mittels Phosphor-31-Magnetresonanzspektroskopie (31PMRS) gemessen werden. In der translationalen und klinischen Forschung ist der Ansatz jedoch nicht weit verbreitet, da die Methodik variiert und die Literatur nur begrenzte Leitlinien bietet. Eine verstärkte Optimierung, Standardisierung und Verbreitung von Methoden für in vivo 31PMRS würde die Entwicklung zielgerichteter Therapien zur Verbesserung der OXPHOS-Kapazität erleichtern und könnte sich letztendlich positiv auf die kardiovaskuläre Gesundheit auswirken. 31PMRS produziert eine nicht-invasive In-vivo-Messung der OXPHOS-Kapazität in der menschlichen Skelettmuskulatur, im Gegensatz zu alternativen Messungen, die aus explantierten und potenziell veränderten Mitochondrien mittels Muskelbiopsie gewonnen werden. Es stützt sich auf nur eine bescheidene zusätzliche Instrumentierung, die über das hinausgeht, was bei Magnetresonanztomographen, die an den meisten Institutionen für die klinische und translationale Forschung zur Verfügung stehen, bereits vorhanden ist. In dieser Arbeit skizzieren wir eine Methode zur in vivo Messung von OXPHOS des Skelettmuskels. Die Technik wird anhand eines 1,5-Tesla-Ganzkörper-MRT-Scanners demonstriert, der mit der geeigneten Hard- und Software für 31PMRS ausgestattet ist, und wir erklären ein einfaches und robustes Protokoll für in-magnetische Widerstandsübungen zur schnellen Ermüdung des Quadrizepsmuskels. Reproduzierbarkeit und Machbarkeit werden sowohl bei Probanden als auch bei Probanden über ein breites Spektrum an funktionellen Fähigkeiten nachgewiesen.

Reproduzierbarkeit Studie Sechs Freiwillige (4 Männer und 2 Frauen, mittleres Alter: 24,5 ± 6,2 Jahre), ohne selbst berichteten Herz, Stoffwechsel- oder mitochondriale Krankheit unterzog Sitzungen der beschriebenen 31 PMRS Übung und Imaging - Technik , die auf 2 verschiedenen Tagen innerhalb von 1 Woche Technik zu bewerten Reproduzierbarkeit (Abbildung 6a). Die Studien an gesunden P...

Diese Arbeit demonstriert die Machbarkeit einer in vivo Phosphor-31-Magnetresonanzspektroskopie (31PMRS) Technik zur Quantifizierung der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierungskapazität (OXPHOS) in der menschlichen Skelettmuskulatur.

Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

Das übergeordnete Ziel dieser In-vivo-Magnetresonanztechnik und des Übungsprotokolls ist es, eine robuste und standardisierte Methode zur nicht-invasiven Messung der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierungskapazität zu etablieren. Die mitochondriale oxidative Phosphorylierungskapazität der Skelettmuskulatur kann nichtinvasiv mit der In-vivo-Phosphor-31-Magnetresonanzspektroskopie gemessen werden. Diese standardisierte Technik wird die Entwicklung zielgerichteter Therapien zur Verbesserung der oxidativen Phosphorylierungskapazität erleichtern.Die Hauptvorteile dieser Technik bestehen darin, dass sie nicht-invasiv ist und serielle Untersuchungen ermöglicht, und dass sie von Personen mit einem breiten Spektrum an funktionellen Fähigkeiten gut vertragen wird. Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da die Einrichtung der Ausrüstung und die Positionierung des Motivs technisch intensiv und von entscheidender Bedeutung sind, um gute Ergebnisse zu erzielen. Holen Sie vor der Bildgebung zunächst die schriftliche und informierte Zustimmung des Probanden ein und untersuchen Sie ihn gründlich auf MRT-Sicherheit.Richten Sie dann das Experiment ein. Dieses Protokoll wird anhand eines Siemens Avanto 1,5 Tesla-Systems demonstriert. Beginnen Sie mit der Vorbereitung für die Bildgebung, indem Sie zuerst die Phosphor-31-Spule in den Tischspulenstecker stecken, der der Bohrung am nächsten liegt.Platzieren Sie dann ein großes dreieckiges Schaumstoffkissen in der Nähe des anderen Endes des Untersuchungstisches des Scanners, jedoch nicht direkt auf der Spule. Legen Sie außerdem ein Kopfkissen auf den MR-Untersuchungstisch, der am weitesten von der Bohrung entfernt ist, und weisen Sie den Probanden an, sich mit den Füßen voran auf den MR-Tisch zu legen. Legen Sie ein Schaumstoffkissen unter die Knie, um das Bein in einer teilweise gebeugten Position zu stützen.Achten Sie darauf, das Motiv nahe der rechten Seite des Tisches zu positionieren, um den linken Oberschenkel so nah wie möglich am Magnetisozentrum zu zentrieren und eine optimale B0-Homogenität zu gewährleisten. Geben Sie dem Motiv dann Ohrstöpsel oder Kopfhörer zum Gehörschutz. Positionieren Sie die Phosphor-31-Spirale auf dem linken Quadrizeps des Probanden ungefähr in der Mitte zwischen der Patella und dem Hüftkopf.Befestigen Sie es dann mit Gurten am Bein. Die Spirale sollte sich über dem lateralen Teil des Beins, oberhalb des Vastus lateralis, befinden. Befestigen Sie eine Babyölflasche an der medialen Seite des Oberschenkels mit den gleichen Gurten, mit denen die Spirale am Bein befestigt ist, und binden Sie dann die Beine des Probanden mit einem Gurt zusammen, der unterhalb der Spirale und über dem Knie platziert ist.Befestigen Sie die Beine des Probanden mit zusätzlichen Gurten an der MR-Liege, einen über dem Knie und einen in der Mitte zwischen Knie und Knöchel. Lassen Sie den Probanden die isometrische Übung üben, um sicherzustellen, dass die Gurte einen ausreichenden Widerstand bieten. Sobald sich das Motiv wohl fühlt, verwenden Sie den Laserlichtleiter, um die Mitte der Spule zu markieren, und bewegen Sie den Tisch mit dem Zentrierpunkt zum Magnetisozentrum.Weisen Sie den Probanden in der Basisphase der Spektroskopieaufnahme an, still zu liegen und seine Beinmuskulatur zu entspannen, um Bewegungsartefakte zu minimieren. Beginnen Sie mit der Anschaffung eines Dreiebenen-Lokalisierers, um die Positionierung zu überprüfen und die Position der Spule zu identifizieren. Rufen Sie außerdem einen zweiten Lokalisierer an, öffnen Sie jedoch die Schnittansicht auf dem ersten Dreiebenen-Lokalisator.Als nächstes richten Sie die Phosphor-31-Spektroskopiesequenz mit nicht-lokalisierten pulserfassten Sequenzparametern ein, wie hier zu sehen. Zentrieren und drehen Sie die Scheibenausrichtung, indem Sie mit der linken Maustaste auf die Scheibengruppe klicken und sie gedrückt halten, und passen Sie die endgültige Ausrichtung der Scheiben an die Position der Ölflasche an. Platzieren Sie nun das Shim-Feld, indem Sie den zweiten Dreiebenen-Lokalisierer in das Anzeigefenster ziehen, ziehen Sie dann die Spektroskopiesequenz in das Protokollfenster und doppelklicken Sie, um es zu öffnen.Verwenden Sie die Positionssymbolleiste, um das Shim-Voxel zu visualisieren, das auf den Lokalisierungsbildern angezeigt wird. Das Voxel kann verschoben werden, indem man mit der linken Maustaste klickt und es in der Mitte des Feldes hält, und seine Größe und Drehung kann geändert werden, indem man mit der linken Maustaste klickt und es an der Ecke des Feldes hält. Platzieren Sie die Shim-Box direkt unter der Spule und parallel zur Ebene des Quadrizeps, um die Homogenität des B0-Feldes zu gewährleisten.Verwenden Sie die Localizer-Bilder, um den empfindlichen Bereich der Spule zu identifizieren, und passen Sie die Shim-Box so an, dass sie diesen Bereich innerhalb des Muskels umfasst. Öffnen Sie das Erfassungs-Viewer-Fenster und wählen Sie das Kopfsymbol in der Symbolleiste aus, um die Spektroskopie-Erfassung in Echtzeit anzuzeigen, und führen Sie dann die Sequenz aus, um ein einzelnes Testspektrum zu erhalten. Beobachten Sie als Nächstes das resultierende Spektrum und untersuchen Sie die Qualität der B0-Unterlegscheibe.Suchen Sie nach einem markanten Phosphokreatin-Peak, der bei null Teilen pro Million zentriert ist, ohne signifikantes Rauschen. Wenn das Spektrum verrauscht erscheint, positionieren Sie die Shim-Box neu und nehmen Sie sie erneut auf. Kopieren Sie die Testspektroskopie-Sequenz mit der besten spektralen Qualität und verwenden Sie sie für alle nachfolgenden Messungen.Erhöhen Sie die Anzahl der Messungen von eins auf 10 und erfassen Sie sie dann, während das Motiv ruht. Wenden Sie als Nächstes für die Übungserfassung die Shim-Einstellungen aus dem vorherigen Scan an und stellen Sie die Sequenz so ein, dass 20 Messungen erfasst werden. Weisen Sie den Probanden an, zunächst zwei Messungen lang in Ruhe zu bleiben, und geben Sie ihm dann einen Countdown, um anzuzeigen, wann er mit der Übung beginnen soll.Zu diesem Zeitpunkt sollte der Proband die Kniestreckbeugung so kraftvoll und so schnell wie möglich gegen den Widerstand der Gurte für etwa 30 Sekunden einleiten. Nachdem ein Abfall der PCR-Spitzenhöhe um 30 % beobachtet wurde, weisen Sie den Probanden an, die Übung zu beenden und sich auszuruhen. Erfassen Sie dann sofort 20 zusätzliche Messungen nach dem Training, ohne Pause oder Shimming.Nachdem die Akquisitionen abgeschlossen sind, stellen Sie die Trainingsqualität sicher, indem Sie die Phosphokreatin-Spitzenhöhen zu Beginn und am Ende des Trainings vergleichen. Diese Grafik zeigt die Wiederherstellung der Phosphokreatinkonzentration nach ihrer Erschöpfung mit der schnellen quasi-statischen Kniestreckübung. Die Linie stellt die Anpassung der exponentiellen Wiederherstellungsfunktion dar.Eine Bland-Altman-Analyse der Phosphokreatin-Erholungszeit zeigt eine mittlere Differenz und Standardabweichung von 1,03 plus oder minus 4,83 Sekunden und einen Variationskoeffizienten zwischen den Versuchen von 4,66. Hier ist eine repräsentative Phosphokreatin-Erholungskurve aus der Untersuchung eines nicht gehfähigen Probanden dargestellt. Beachten Sie, dass mit diesem Übungsprotokoll eine Phosphokreatin-Depletion von 64% erreicht wurde.Schließlich zeigt dieser Vergleich der Phosphokreatin-Erholungszeiten eine sequentiell schlechtere mitochondriale oxidative Kapazität bei Kontroll-, Nicht-Diabetikern und Diabetikern. Einmal gemeistert, kann diese Technik in weniger als 20 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, vor dem Training zu überprüfen, ob das Spektrum ein ausreichendes Signal hat, als auch sicherzustellen, dass das Training zu einem Phosphokreatin-Mangel von mindestens 30% führtNach diesem Verfahren können andere Methoden wie die Bildgebung zur Quantifizierung von Fettmuskeln durchgeführt werden, um die Muskelmasse und den Fettgehalt zu berechnen. die auch für die allgemeine Funktion der Skelettmuskulatur wichtig sind.Diese Technik kann zur Untersuchung vieler Krankheiten verwendet werden, einschließlich der Friedreich-Ataxie, wo sie es Forschern ermöglichte, genetische Marker für die Schwere der Erkrankung in der mitochondrialen oxidativen Kapazität zu korrelieren. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie einen In-vivo-Phosphor-31-Magnetresonanzspektroskopie-Scan und ein Übungsprotokoll durchführen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Magnetresonanztomographen strenge Sicherheitsmaßnahmen erfordert und dass alle MRT-Experimente von ausreichend geschultem Personal durchgeführt werden sollten.

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Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel (Video) | JoVE Journal

Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel

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